Esperimento in doppia fenditura di Thomas Young

Per tutto il diciannovesimo secolo, i fisici avevano un consenso sul fatto che la luce si comportava come un'onda, in gran parte grazie al famoso esperimento a doppia fenditura eseguito da Thomas Young. Spinto dalle intuizioni dell'esperimento e dalle proprietà dell'onda che ha dimostrato, un secolo di fisici ha cercato il mezzo attraverso il quale la luce stava fluttuando, il etere luminoso. Sebbene l'esperimento sia più evidente con la luce, il fatto è che questo tipo di esperimento può essere eseguito con qualsiasi tipo di onda, come l'acqua. Per il momento, tuttavia, ci concentreremo sul comportamento della luce.

All'inizio del 1800 (dal 1801 al 1805, a seconda della fonte), Thomas Young condusse il suo esperimento. Ha permesso alla luce di passare attraverso una fessura in una barriera in modo che si espandesse in fronti d'onda da quella fenditura come fonte di luce (sotto Principio di Huygens). Quella luce, a sua volta, passava attraverso la coppia di fessure in un'altra barriera (posizionata con cura alla giusta distanza dalla fessura originale). Ogni fenditura, a sua volta, diffondeva la luce come se fossero anche singole fonti di luce. La luce ha colpito uno schermo di osservazione. Questo è mostrato a destra.

Quando una singola fenditura era aperta, ha semplicemente avuto un impatto sullo schermo di osservazione con maggiore intensità al centro e poi si è sbiadita mentre ti allontanavi dal centro. Esistono due possibili risultati di questo esperimento:

Interpretazione delle particelle: Se la luce esiste come particelle, l'intensità di entrambe le fenditure sarà la somma dell'intensità delle singole fenditure.

Interpretazione delle onde: Se la luce esiste come onde, le onde luminose avranno interferenza secondo il principio di sovrapposizione, creando bande di luce (interferenza costruttiva) e oscurità (interferenza distruttiva).

Quando è stato condotto l'esperimento, le onde luminose hanno effettivamente mostrato questi schemi di interferenza. Una terza immagine che è possibile visualizzare è un grafico dell'intensità in termini di posizione, che corrisponde alle previsioni dell'interferenza.

All'epoca, ciò sembrava dimostrare in modo conclusivo che la luce viaggiava nelle onde, provocando una rivitalizzazione nella teoria delle onde della luce di Huygen, che includeva un mezzo invisibile, etere, attraverso il quale si propagarono le onde. Numerosi esperimenti nel corso del 1800, in particolare il famoso Esperimento di Michelson-Morley, ha tentato di rilevare direttamente l'etere o i suoi effetti.

Fallirono tutti e un secolo dopo, il lavoro di Einstein nel effetto fotoelettrico e la relatività faceva sì che l'etere non fosse più necessario per spiegare il comportamento della luce. Ancora una volta una teoria delle particelle di luce prese il sopravvento.

Eppure, una volta il fotone la teoria della luce è nata, dicendo che la luce si muoveva solo in quanti discreti, la domanda è diventata come questi risultati erano possibili. Nel corso degli anni, i fisici hanno intrapreso questo esperimento di base e lo hanno esplorato in vari modi.

Agli inizi del 1900, la domanda restava leggera: che ora era riconosciuto viaggiare in "fasci" di particelle l'energia quantizzata, chiamata fotoni, grazie alla spiegazione di Einstein sull'effetto fotoelettrico, potrebbe anche mostrare il comportamento di onde. Certamente, un gruppo di atomi d'acqua (particelle) quando agiscono insieme formano le onde. Forse questo era qualcosa di simile.

È diventato possibile avere una sorgente di luce che è stata installata in modo che emettesse un fotone alla volta. Sarebbe, letteralmente, come lanciare cuscinetti a sfere microscopici attraverso le fessure. Impostando uno schermo abbastanza sensibile da rilevare un singolo fotone, è possibile determinare se in questo caso esistessero o meno schemi di interferenza.

Un modo per farlo è impostare un film sensibile ed eseguire l'esperimento per un periodo di tempo, quindi guardare il film per vedere qual è il motivo della luce sullo schermo. Proprio un simile esperimento fu eseguito e, di fatto, corrispondeva alla versione di Young in modo identico - alternando bande chiare e scure, apparentemente risultanti dall'interferenza delle onde.

Questo risultato conferma e stupisce la teoria delle onde. In questo caso, i fotoni vengono emessi singolarmente. Non c'è letteralmente modo che si verifichino interferenze d'onda perché ogni fotone può attraversare una sola fenditura alla volta. Ma si osserva l'interferenza dell'onda. Com'è possibile? Bene, il tentativo di rispondere a questa domanda ha generato molte interpretazioni intriganti di fisica quantistica, dall'interpretazione di Copenaghen all'interpretazione a molti mondi.

Ora supponi di condurre lo stesso esperimento, con una modifica. Posizionate un rivelatore in grado di dire se il fotone passa o meno attraverso una data fenditura. Se sappiamo che il fotone passa attraverso una fenditura, allora non può passare attraverso l'altra fenditura per interferire con se stesso.

Si scopre che quando si aggiunge il rilevatore, le bande scompaiono. Esegui esattamente lo stesso esperimento, ma aggiungi una semplice misurazione in una fase precedente e il risultato dell'esperimento cambia drasticamente.

Qualcosa sull'atto di misurare quale fessura viene utilizzata ha rimosso completamente l'elemento ondulato. A questo punto, i fotoni si sono comportati esattamente come ci aspetteremmo che una particella si comporti. La stessa incertezza nella posizione è legata, in qualche modo, alla manifestazione degli effetti delle onde.

Nel corso degli anni, l'esperimento è stato condotto in diversi modi. Nel 1961 Claus Jonsson eseguì l'esperimento con gli elettroni e si conformò al comportamento di Young, creando schemi di interferenza sullo schermo di osservazione. La versione dell'esperimento di Jonsson è stata votata "l'esperimento più bello" da Mondo della fisica lettori nel 2002.

Nel 1974, la tecnologia divenne in grado di eseguire l'esperimento rilasciando un singolo elettrone alla volta. Ancora una volta, sono emersi i modelli di interferenza. Ma quando un rilevatore viene posizionato sulla fessura, l'interferenza scompare nuovamente. L'esperimento è stato nuovamente eseguito nel 1989 da un team giapponese che è stato in grado di utilizzare attrezzature molto più raffinate.

L'esperimento è stato eseguito con fotoni, elettroni e atomi e ogni volta lo stesso risultato diventa ovvio: qualcosa sulla misurazione della posizione della particella sulla fessura rimuove l'onda comportamento. Esistono molte teorie per spiegare il perché, ma finora è ancora congettura.